專利名稱：2mw及以上雙饋風力發(fā)電機組整機的電網故障穿越系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電機組整機的電網故障穿越系統(tǒng)及方法。 技術背景現(xiàn)階段風力發(fā)電由于其綠色環(huán)保的新能源特性，近幾年在國內得到了飛速的發(fā)展，大規(guī)模的風力發(fā)電場在國內已經逐漸的興建起來。雙饋式風力發(fā)電機組是現(xiàn)今風電行業(yè)的常用機型，其雙饋感應發(fā)電機(DFIG)的定子側直接與電網相連，轉子側通過交-直-交變流器與電網耦合，由于其發(fā)電機與電網之間不是完全通過變流器耦合，當電網發(fā)生故障會產生如下問題電網故障導致風力發(fā)電機機端電壓跌落，造成發(fā)電機定子電流增加。由于雙饋感應發(fā)電機轉子與定子之間的強耦合，快速增加的定子電流會導致轉子電流急劇上升。由于風力發(fā)電機調節(jié)速度較慢，故障前期風力發(fā)電機吸收的風能不會明顯減少， 而發(fā)電機組由于機端電壓降低，不能正常向電網輸送電能，即有一部分能量無法輸入電網， 這些能量由系統(tǒng)內部消化，將導致變流器內部電容充電、直流電壓快速升高、電機轉子加速、電磁轉矩突變等一系列問題。上述問題容易導致變流器系統(tǒng)內元器件的損壞，降低風機使用壽命，同時，由于風機維護困難，將大大提高維護成本。對于普通雙饋風力發(fā)電機組，一般不具備電網故障穿越的解決方案，或者只有部分部件如變流器做了應對電網故障的一些硬件或軟件保護措施，這種局部保護措施，只能保障部分部件的安全，不能保證雙饋機組在電網故障時的整體部件配合度，可靠性低，無法保證實現(xiàn)電網故障穿越特性。在電網出現(xiàn)故障時，即使只是比較輕微的故障，為保護風力發(fā)電設備，風力發(fā)電機組也要與電網解列。隨著風力發(fā)電機容量、風電場規(guī)模越來越大，如果大規(guī)模風電機組從電網解列，風力發(fā)電機組就失去了對電網電壓的支撐能力，這可能導致嚴重的連鎖反應，對電網的穩(wěn)定運行造成嚴重影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明面對雙饋風力發(fā)電機組電網故障穿越難題，針對2MW及以上雙饋風力發(fā)電機組獨有的運行特性，提出了 2MW及以上雙饋風電機組整機的電網故障穿越系統(tǒng)及方法。本發(fā)明所述故障穿越系統(tǒng)及方法對風力發(fā)電機組變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)、聯(lián)軸器、發(fā)電機和變槳系統(tǒng)做優(yōu)化設計，除了保證各部件本身具備故障期間的保護動作之外，重點解決了整體系統(tǒng)的配合問題，實現(xiàn)雙饋風電機組各部件協(xié)同工作，在較短的時間內動態(tài)切換至故障穿越工作模式，使風電機組真正實現(xiàn)故障期間的不脫網運行，故障之后穩(wěn)定快速的恢復正常功率輸出，可靠性高，實現(xiàn)對電網的支撐作用。此外，本發(fā)明所述故障穿越系統(tǒng)在電網故障穿越期間通過對變槳系統(tǒng)的控制降低風輪轉速，加上聯(lián)軸器上的力矩限制器可以限制故障期間產生的轉矩突變尖峰值，最終使機組避免轉矩的大幅度振蕩，結合本系統(tǒng)對變流器及發(fā)電機的保護措施，可以延長機組使用壽命，降底機組故障率，從而大大降低機組維護成本。實現(xiàn)上述目的的技術方案是本發(fā)明之一 2麗及以上雙饋風力發(fā)電機組整機的電網故障穿越系統(tǒng)，包括變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、力矩限制器。上述的電網故障穿越系統(tǒng)中，所述的變流器系統(tǒng)包括與變流器直流測相連的卸載單元、分別與變流器控制器相連的有源crowbar、變流器、UPS供電系統(tǒng)，其中卸載單元，用于防止電壓跌落導致變流器直流側電壓升高；有源crowbar，還與變流器轉子側及發(fā)電機轉子相連，用于防止發(fā)電機轉子過流；UPS供電系統(tǒng)，還與并網開關相連，用于電網故障期間短時間供電給變流器控制器及并網開關，保證并網開關不斷開，保持風機與電網間的連接；變流器控制器，還與控制器系統(tǒng)相連，用于向控制器系統(tǒng)發(fā)出故障信號和接收恢
復信號。上述的電網故障穿越系統(tǒng)中，所述的控制器系統(tǒng)分別與變流器控制器和變槳控制器相連，用于向變流器控制器接收故障信號和發(fā)出恢復信號，同時向變槳控制器發(fā)送控制命令以控制風輪變槳，并進行電網故障穿越期間的故障記錄。上述的電網故障穿越系統(tǒng)中，所述的控制器系統(tǒng)內含UPS供電系統(tǒng)，用于在故障穿越期間向控制器系統(tǒng)供電。上述的電網故障穿越系統(tǒng)中，所述的變槳系統(tǒng)內含蓄電池、變槳控制器，其中蓄電池，用于在故障穿越期間向變槳控制器供電；變槳控制器，與控制器系統(tǒng)相連，用于接收控制器系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行相應變槳動作，調節(jié)風輪轉速。上述的電網故障穿越系統(tǒng)中，所述的力矩限制器設在聯(lián)軸器上，以保證電網故障期間產生的瞬時過轉矩不會影響齒輪箱。上述的電網故障穿越系統(tǒng)中，所述的力矩限制器的設定打滑力矩為額定力矩的 1. 5-2倍，具體數(shù)值由雙饋風電機組各自工作特性計算得出。本發(fā)明之二 2MW及以上雙饋風力發(fā)電機組整機的電網故障穿越方法，其中，包括以下步驟步驟Sl 變流器系統(tǒng)檢測電網運行狀況；步驟S2 變流器系統(tǒng)判斷電網是否出現(xiàn)故障若是，即電網出現(xiàn)故障，則進入步驟S3 ；若否，即電網未出現(xiàn)故障，則返回步驟Sl ；步驟S3 變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)切換到UPS供電系統(tǒng)進行供電，變槳系統(tǒng)切換到蓄電池進行供電，保持風機連網及故障穿越系統(tǒng)的正常運行；步驟S4 變流器系統(tǒng)開啟有源crowbar和卸載單元，保護變流器及發(fā)電機，變流器控制器向控制器系統(tǒng)發(fā)送故障信號；步驟S5 控制器系統(tǒng)向變槳系統(tǒng)發(fā)送控制命令，同時開始電網故障記錄；步驟S6 變槳系統(tǒng)響應控制命令，執(zhí)行相應變槳動作；
步驟S7 變流器系統(tǒng)檢測電網運行狀況；步驟S8 判斷電網故障是否恢復若是，即電網故障恢復，則進入步驟S9 ；若否，即電網故障未恢復，則返回步驟S7 ；步驟S9 變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)恢復正常供電；步驟SlO 變流器系統(tǒng)中，關閉有源crowbar和卸載單元，向控制器系統(tǒng)發(fā)送恢復信號，調節(jié)勵磁阻尼系統(tǒng)，使功率恢復正常標準；步驟Sll 控制器系統(tǒng)向變槳系統(tǒng)發(fā)送控制命令，同時結束電網故障記錄；步驟S12 變槳系統(tǒng)響應控制命令，執(zhí)行相應變槳動作，然后返回步驟Si。本發(fā)明所述的2MW及以上雙饋風力發(fā)電機組整機的電網故障穿越系統(tǒng)及方法中， 電網故障也可以由控制器系統(tǒng)檢測，并向變流器系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)發(fā)送故障信號和恢復信號，通過這種方法也應屬于本專利保護范圍。此外，變槳系統(tǒng)也可以直接受控于變流器控制器，從而執(zhí)行相應的變槳動作，這種方法也應屬于本專利保護范圍。


圖1是本發(fā)明之一的結構示意圖；圖2是本發(fā)明之二的流程圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。請參閱圖1，圖中示出了本發(fā)明之一的2麗及以上雙饋風力發(fā)電機組整機的電網故障穿越系統(tǒng)，它包括變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、力矩限制器，其中變流器系統(tǒng)，包括與變流器直流測相連的卸載單元、分別與變流器控制器相連的有源crowbar、變流器、UPS供電系統(tǒng)，UPS供電系統(tǒng)還與并網開關相連，以保證故障期間風機與電網正常連接，有源crowbar和卸載單元用于保護發(fā)電機和變流器，變流器控制器能夠向控制器系統(tǒng)發(fā)送故障信號和接收恢復信號；控制器系統(tǒng)，分別與變流器控制器和變槳控制器相連，用于向變流器控制器接收故障信號和發(fā)送恢復信號，同時向變槳控制器發(fā)送控制命令以控制風輪變槳，并進行電網故障穿越期間的故障記錄。變槳系統(tǒng)，與控制器系統(tǒng)相連，用于接收控制器系統(tǒng)發(fā)送的控制命令，執(zhí)行相應變槳動作，調節(jié)風輪轉速。力矩限制器，設置在聯(lián)軸器上，以保證電網故障期間產生的瞬時過轉矩不會影響齒輪箱。請參閱圖2，圖中示出了本發(fā)明之二的2麗及以上雙饋風力發(fā)電機組整機的電網故障穿越方法，其中，包括以下步驟步驟Sl 變流器系統(tǒng)檢測電網運行狀況；步驟S2 變流器系統(tǒng)判斷電網是否出現(xiàn)故障若是，即電網出現(xiàn)故障，則進入步驟S3 ；
若否，即電網未出現(xiàn)故障，則返回步驟Sl ；步驟S3 變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)切換到UPS供電系統(tǒng)進行供電，變槳系統(tǒng)切換到蓄電池進行供電，保持風機連網及故障穿越系統(tǒng)的正常運行；步驟S4 變流器系統(tǒng)開啟有源crowbar和卸載單元，保護變流器及發(fā)電機，變流器控制器向控制器系統(tǒng)發(fā)送故障信號；步驟S5 控制器系統(tǒng)向變槳系統(tǒng)發(fā)送控制命令，同時開始電網故障記錄；步驟S6 變槳系統(tǒng)響應控制命令，執(zhí)行相應變槳動作；步驟S7 變流器系統(tǒng)檢測電網運行狀況；步驟S8 判斷電網故障是否恢復若是，即電網故障恢復，則進入步驟S9 ；若否，即電網故障未恢復，則返回步驟S7 ；步驟S9 變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)恢復正常供電；步驟SlO 變流器系統(tǒng)中，關閉有源crowbar和卸載單元，向控制器系統(tǒng)發(fā)送恢復信號，調節(jié)勵磁阻尼系統(tǒng)，使功率恢復正常標準；步驟Sll 控制器系統(tǒng)向變槳系統(tǒng)發(fā)送控制命令，同時結束電網故障記錄；步驟S12 變槳系統(tǒng)響應控制命令，執(zhí)行相應變槳動作，然后返回步驟Si。雖然經過對本發(fā)明結合具體實施例進行描述，對于在本技術領域熟練的人士，根據上文的敘述做出的替代、修改與變化將是顯而易見的。因此，在這樣的替代，修改和變化落入本發(fā)明的權利要求的精神和范圍內時，應該被包括在本發(fā)明中。
權利要求
1.2麗及以上雙饋風力發(fā)電機組整機的電網故障穿越系統(tǒng)，其特征在于包括變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、力矩限制器。
2.根據權利要求1所述的電網故障穿越系統(tǒng)，其特征在于所述的變流器系統(tǒng)包括與變流器直流測相連的卸載單元、分別與變流器控制器相連的有源crowbar、變流器、UPS供電系統(tǒng)，其中卸載單元，用于防止電壓跌落導致變流器直流側電壓升高； 有源crowbar，還與變流器轉子側及發(fā)電機轉子相連，用于防止發(fā)電機轉子過流； UPS供電系統(tǒng)，還與并網開關相連，用于電網故障期間短時間供電給變流器控制器及并網開關，保證并網開關不斷開，保持風機與電網間的連接；變流器控制器，還與控制器系統(tǒng)相連，用于向控制器系統(tǒng)發(fā)出故障信號和接收恢復信號。
3.根據權利要求1所述的電網故障穿越系統(tǒng)，其特征在于所述的控制器系統(tǒng)分別與變流器控制器和變槳控制器相連，用于向變流器控制器接收故障信號和發(fā)出恢復信號，同時向變槳控制器發(fā)送控制命令以控制風輪變槳，并進行電網故障穿越期間的故障記錄。
4.根據權利要求1所述的電網故障穿越系統(tǒng)，其特征在于所述的控制器系統(tǒng)內含UPS 供電系統(tǒng)，用于在故障穿越期間向控制器系統(tǒng)供電。
5.根據權利要求1所述的電網故障穿越系統(tǒng)，其特征在于所述的變槳系統(tǒng)內含蓄電池、變槳控制器，其中蓄電池，用于在故障穿越期間向變槳控制器供電；變槳控制器，與控制器系統(tǒng)相連，用于接收控制器系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行相應變槳動作，調節(jié)風輪轉速。
6.根據權利要求1所述的電網故障穿越系統(tǒng)，其特征在于所述的力矩限制器設在聯(lián)軸器上，以保證電網故障期間產生的瞬時過轉矩不會影響齒輪箱。
7.根據權利要求1所述的2MW及以上雙饋風力發(fā)電機組整機的電網故障穿越方法，其特征在于包括以下步驟步驟Sl 變流器系統(tǒng)檢測電網運行狀況； 步驟S2 變流器系統(tǒng)判斷電網是否出現(xiàn)故障若是，即電網出現(xiàn)故障，則進入步驟S3 ； 若否，即電網未出現(xiàn)故障，則返回步驟Sl ； 步驟S3 變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)切換到UPS供電系統(tǒng)進行供電，變槳系統(tǒng)切換到蓄電池進行供電，保持風機連網及故障穿越系統(tǒng)的正常運行；步驟S4 變流器系統(tǒng)開啟有源crowbar和卸載單元，保護變流器及發(fā)電機，變流器控制器向控制器系統(tǒng)發(fā)送故障信號；步驟S5 控制器系統(tǒng)向變槳系統(tǒng)發(fā)送控制命令，同時開始電網故障記錄； 步驟S6 變槳系統(tǒng)響應控制命令，執(zhí)行相應變槳動作； 步驟S7 變流器系統(tǒng)檢測電網運行狀況； 步驟S8 判斷電網故障是否恢復若是，即電網故障恢復，則進入步驟S9 ； 若否，即電網故障未恢復，則返回步驟S7 ；步驟S9 變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)恢復正常供電；步驟SlO 變流器系統(tǒng)中，關閉有源crowbar和卸載單元，向控制器系統(tǒng)發(fā)送恢復信號， 調節(jié)勵磁阻尼系統(tǒng)，使功率恢復正常標準；步驟Sll 控制器系統(tǒng)向變槳系統(tǒng)發(fā)送控制命令，同時結束電網故障記錄； 步驟S12 變槳系統(tǒng)響應控制命令，執(zhí)行相應變槳動作，然后返回步驟Si。
8.根據權利要求6所述的力矩限制器，其特征在于所述的力矩限制器的設定打滑力矩為額定力矩的1.5-2倍，具體數(shù)值由雙饋風電機組各自工作特性計算得出。
全文摘要
本發(fā)明提供了2MW及以上雙饋風力發(fā)電機組整機的電網故障穿越系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括變流器系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、力矩限制器；方法包括步驟檢測電網運行狀況；判斷是否出現(xiàn)故障若否則返回步驟S1，若是則動態(tài)切換至故障穿越工作模式；檢測電網運行狀況；判斷故障是否恢復若否則返回步驟S7，若是則恢復正常運行狀態(tài)，然后返回S1。本發(fā)明在保證各部件本身具備故障期間的保護動作的同時解決整體系統(tǒng)的配合問題，實現(xiàn)故障期間的不脫網運行，支撐電網，延長機組使用壽命，降底機組故障率，從而大大降低機組維護成本。
文檔編號H02M5/458GK102457195SQ20101052892
公開日2012年5月16日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權日2010年11月2日
發(fā)明者李楠, 禹華軍 申請人:上海電氣風電設備有限公司